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微软发力量子计算

微软资深高管 Todd Holmdahl 将带领科学家、工程师团队,打造量子计算机的软硬件

微软在量子计算领域不断发力,有望利用“拓扑量子比特”研制出可扩展量子计算机。

这一项目的负责人是微软公司副总裁 Todd Holmdahl。他曾成功地将微软的多个重要的研究成果实现产品化,这其中就包括 Xbox、Kinect 和 HoloLens。这次,Todd 将带领一个由科学家和工程师组成的团队,为量子计算机打造软件和硬件。

“我们正在从基础研究向工程开发迈进。”Todd 介绍说。

尽管谁也无法保证在探索未知的道路上永远一帆风顺,但他认为公司在量子计算方面的长期研究已取得了丰硕成果,并在研制可扩展量子计算机方面思路清晰。

“一旦研制成功,它将对世界产生巨大的影响。因此适当的冒险是值得的。而且我认为现在也是正当其时。”

微软已聘请了量子计算界两位领袖人物,Leo Kouwenhoven 和 Charles Marcus,另两位业界大牛 Matthias Troyer 和 David Reilly 也将很快加入该团队。

Marcus 是丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的教授,并在丹麦国家研究基金会支持的量子设备中心担任中心主任。

Kouwenhoven 是荷兰代尔夫特理工大学的杰出教授,并兼任量子技术高级研究中心(QuTech)的创始主任。

2014 年,Leo Kouwenhoven(左)和 Charles Marcus(右)在加州圣芭芭拉微软 Station Q 大会上的合影

Marcus 和 Kouwenhoven 已与微软量子计算项目团队合作多年。加入微软后,他们仍将保留大学的学术职务,并继续各自的课题研究,同时参与微软在这两所大学建立专门量子实验室的工作。

两位研究员都认为,加入微软是他们将研究成果运用于可扩展量子计算机研制的最佳途径。

“这太令人激动了。”Kouwenhoven 说,“我读书时就在研究量子计算,那时我们对它到底能有什么实际应用还一无所知。”

Kouwenhoven 与微软的合作开始于一次偶然的机会。一次参观完微软位于加州圣芭芭拉的实验室后,他与实验室主任、拓扑数学家 Michael Freedman 在海边散步。当时的谈话非常令人振奋。

经过多年的研究合作,Kouwenhoven 说,他们现在需要工程师的参与,以帮助项目真正落地。

“到目前阶段,工程开发对推进项目的科学研究会有重要帮助。” Kouwenhoven 说。

因为微软要研制的绝不是一台实验室环境下的量子计算机。

微软希望创造出可靠工具,让那些非量子计算领域的专家也可以用它来解决今天最棘手的问题。可以预期,它所引发的“量子经济”将带动医药和材料科学等行业的变革。

Marcus 与微软的合作开始得更为偶然。几年前的一次宴会上,他恰好坐在 Freedman 旁边,那次的交流让他意识到只有科学家与工程师更紧密地合作,量子经济才有可能实现。

Marcus 说:“我知道要克服所有困难,制造出前所未有的机器,我们必须改变做事方式。我们需要有科学家、工程师、技师、程序员共同组成的团队。”

Troyer 目前是全球著名学府瑞士苏黎世联邦理工学院的计算机物理学教授。他的研究领域包括量子材料模拟、量子设备测试、量子算法优化和量子计算机的软件开发。

实验物理学家 Reilly 是澳大利亚悉尼大学量子机中心的教授兼中心主任。他领导的物理学家和工程师团队正在致力于量子系统的扩展。

研制量子计算机的构建基块

微软研制量子计算机的方法基于一种被称为“拓扑量子比特”的量子信息单位。

量子比特是研制量子计算机的关键构建基块。研究员们认为利用量子比特,计算机可以快速并行处理多个解决方案,而不是逐个为之。

但挡在实用性量子计算机研制工作前面的巨大障碍之一是量子比特非常不稳定。只有处于一个零干扰的环境,量子系统才能保持其工作状态,因此,量子计算机必须被放置在超低温的独特环境下。

微软团队相信拓扑量子比特能够更好地应对温度、电噪声等因素的干扰,使它们能够长时间保持量子状态,让它们更具实用性,更有效地工作。

Holmdahl 说:“拓扑设计受环境变化的影响较小。”

在研制量子计算机样机的同时,微软还开始研发相应的量子计算软件,以便在系统开始运行的第一天就能高效地解决复杂问题。

“这就好像传统的高性能计算,我们不仅需要硬件,还需要软件。”Troyer 解释说。

这对于项目团队来说也再合理不过:两个系统能共同解决问题,各自的研究工作还可以相互促进。

“量子计算机远不止量子比特。”Reilly 解释道,“它还包括硬件系统,和连接外部世界的各种接口。”

更智能的云和解决棘手问题的能力

专家们说他们可以通过量子硬件和软件,创造出强大的计算能力,解决从气候变化、饥饿到众多疾病等世界上最紧迫的问题。

原因之一是这些计算机能模拟物理系统,加速药物开发或提升我们对植物的认知。研究员们认为智能云的计算能力将因此而呈指数级递增,就相当于将移动电话演变为智能手机。

Holmdahl 说:“这是一个将量子计算机应用于材料学的真正机会。很多今天的计算机还束手无策的问题,我们相信量子计算机能在相当短的时间里找到答案。”

Kouwenhoven 认为这也适用于量子物理领域的研究,例如暗物质研究和宇宙认知等最基础的问题,“如果能用量子计算机解决这些量子问题,那一定会很有趣。”他说。

晶体管和烟灰缸

未来会怎样无人知晓。计算机科学家常说,第一个晶体管刚被发明时,它的创造者们根本无法想象智能手机会由此而生。

“我猜(上世纪)40、50 年代他们琢磨第一个晶体管时,肯定不知道人们将如何使用它。我想我们现在就是这种感觉。”Holmdahl 说。

晶体管的发明者之一 Walter Brattain 来自于华盛顿州 Tonasket 小镇,是 Holmdahl 的同乡。作为一个科技历史爱好者,Holmdahl 一直对 Brattain 的一生很着迷。

凭借量子计算,Holmdahl 认为自己将有机会成为 Brattain 追随者中的一员。

“有机会开创下一代晶体管倒并不至于让我飘飘然、迷失自我。” Holmdahl 说。

踏上这一岗位,Holmdahl 还是得到了他 20 岁儿子的启发:如果你发现自己是这张桌上最聪明的一个人,你就该找张新桌子了。

“这对我来说绝对是一张新桌子。” Holmdahl 说,这位斯坦福大学毕业的工程师现在会利用空余时间阅读有关量子物理学和量子纠缠的资料。

当谈及量子计算机的发展前景,Marcus 常常谈起家里曾经的一辆汽车。买的时候,那辆汽车有当时最好的配置,仪表盘上甚至还装了一个能把烟灰直接从香烟上吸走的烟灰缸。

马库斯常想当时一定有不少人认为这种烟灰缸就是汽车技术发展的巅峰。

他说:“他们设计这种烟灰缸时,一定想不到还会有无人驾驶汽车。”

同样的事也会发生在计算能力上。